葛美伶 張歡 司天宇 程洪 何忠平

收稿日期：2022-11-16

作者簡(jiǎn)介：葛美伶（1996—），女，碩士，從事FeCMnAl系高強(qiáng)合金的設(shè)計(jì)研究.Email：gemeiling0402@163.com

通信作者：何忠平（1986—），男，博士，副研究員，從事材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及材料高速?zèng)_擊拉伸性能等相關(guān)研究.Email：287785036@qq.com

摘要：FeCMnAl系輕質(zhì)鋼具有良好的耐腐蝕性、低密度和優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在鋼中添加合金元素會(huì)顯著影響相變熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)，進(jìn)一步影響并決定組織形貌的演化過程.添加Cr元素會(huì)對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼微觀組織產(chǎn)生顯著作用，重點(diǎn)對(duì)添加不同含量的Cr元素后，對(duì)κ碳化物、βMn和DO3等相生長、晶粒尺寸變化及晶界角度的改變，促進(jìn)Al2O3及含Cr氧化物的生成，以及提高FeCMnAl系輕質(zhì)鋼抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕性和抗氧化性等性能的情況進(jìn)行分析.并歸納總結(jié)了Cr元素的加入及不同含量的Cr元素給FeCMnAl系輕質(zhì)鋼帶來的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望.

關(guān)鍵詞：FeCMnAl系輕質(zhì)鋼；Cr元素；微觀組織；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG142

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

FeCMnAl系輕質(zhì)鋼已成為汽車用鋼的研究熱點(diǎn)之一，元素的添加可以對(duì)FeCMnAl系鋼材性能缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)和優(yōu)化.如添加Mn元素可研究中錳鋼和高錳鋼力學(xué)性能的變化，達(dá)到目標(biāo)所需要的運(yùn)用強(qiáng)度；添加Al元素可對(duì)FeCMnAl系鋼材的質(zhì)量進(jìn)行輕量化，改善CO2的排放量［1-2］.大多數(shù)關(guān)于FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的研究?jī)H限于Al元素濃度在5%～10%［3］之間，因?yàn)楹谐逜l元素含量的FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的拉伸性能由于相的改變而急劇惡化［4］.根據(jù)研究可知［5］，在相同的含量下，合金對(duì)密度的影響程度關(guān)系依次為C＞Al＞Si＞Mn＞Cr，雖然C元素影響作用最大，但在添加少量C元素后，繼續(xù)添加將無明顯改善.目前大量研究都將優(yōu)先考慮Al元素，但若Al元素含量配比過多，在改善性能的同時(shí)會(huì)降低FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的力學(xué)性能，因此，可選擇加入Cr元素，通過調(diào)整Cr元素的含量對(duì)目前所出現(xiàn)的問題進(jìn)行改善.

加入不同的合金元素對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的性能有多樣化的改變，而加入Cr元素，最主要是改善加入Al和Mn元素后存在的性能缺陷，通過加入不同含量的Cr元素進(jìn)一步改變微觀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)析出物從而達(dá)到鋼材性能轉(zhuǎn)變的目的.

本文綜述了不同Cr元素含量對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼析出物、力學(xué)性能、腐蝕性能及抗氧化性等方面的影響，并對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼中Cr元素的添加發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期為FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的進(jìn)一步研究提供參考.

1對(duì)析出相的影響

1.1對(duì)κ碳化物析出及形態(tài)的影響

作為奧氏體基低密度鋼中最重要的強(qiáng)化相之一，κ碳化物沉淀物（體積分?jǐn)?shù)為5%～35%）已被證明具有在金屬與金屬之間加強(qiáng)的潛力［6-7］.Mapelli等［8］通過第一性原理計(jì)算證實(shí)，Cr元素的加入增加了彈性應(yīng)變能及κ碳化物和γ奧氏體之間的界面能，導(dǎo)致κ碳化物的成核能壘增加.κ碳化物在時(shí)效硬化的Fe9Al30Mn0.9C合金中具有顯著強(qiáng)化作用，但κ碳化物沉淀在早期對(duì)屈服強(qiáng)度影響不大，在生長后期粗κ碳化物過多，顯著降低了加工硬化能力，導(dǎo)致極限抗拉強(qiáng)度顯著下降［9］.由于κ碳化物的成分占比增加及尺寸粗化，平面滑移軟化現(xiàn)象更加顯著，且變形時(shí)應(yīng)變硬化率下降，塑性加速失穩(wěn).對(duì)于κ碳化物的析出應(yīng)避開在晶界處出現(xiàn)粗大及片層狀形態(tài)的晶粒［10］.目前，科研人員將重點(diǎn)放在控制κ碳化物的析出以改善FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的力學(xué)特性方面.

Cr元素是一種強(qiáng)碳化物形成元素，同時(shí)也是鐵素體穩(wěn)定劑.其與C原子之間的吸引作用會(huì)延緩C元素在γ奧氏體中的擴(kuò)散［11］.而對(duì)于κ碳化物的研究發(fā)現(xiàn)［12］，在接近快速凝固的樣品中，κ碳化物的體積分?jǐn)?shù)隨著Cr元素含量的增加而減少.由于Cr元素的加入擴(kuò)大了Al和C元素在FeCMnAl系輕質(zhì)鋼中的固體溶解度，降低了κ碳化物形成的驅(qū)動(dòng)力［13］.同時(shí)，也顯著減緩了κ碳化物在等溫老化處理過程中的生長速度.κ碳化物的沉淀可以有效地提高FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的強(qiáng)度，而粗化的κ碳化物的形成將導(dǎo)致塑性的顯著降低［14］.因此，通過不同含量的Cr元素對(duì)κ碳化物形成及生長的特殊作用來提高其性能，對(duì)改善FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的綜合性能具有重要作用.

Zhang等［15］也曾報(bào)道過Cr元素的添加減少了輕質(zhì)鋼內(nèi)部組織κ碳化物的析出.Wang等［16］研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eCMnAl系輕質(zhì)鋼中加入Cr元素，Cr元素會(huì)先于Al與C元素發(fā)生反應(yīng)結(jié)合，導(dǎo)致內(nèi)部微觀組織發(fā)生改變，如減少κ碳化物的生成.Moon等［17］發(fā)現(xiàn)，Cr元素的加入使κ碳化物的形成能量變得不利.主要的原因是κ碳化物結(jié)構(gòu)中的Cr原子雜質(zhì)增加了界面能和彈性應(yīng)變能.κ碳化物的形成能量變得不利表明，加入Cr元素后κ碳化物的沉淀形成是受到抑制作用的.如圖1所示，從不同Cr元素含量的Fe19Mn12Al1.5C掃描電子顯微鏡（SEM）圖可看出，0%～2%Cr元素中晶粒間的粗κ碳化物粒度（藍(lán)色箭頭表示）逐步減小，晶粒內(nèi)部的納米級(jí)κ碳化物分散在γ基質(zhì)中，但分?jǐn)?shù)相比0%Cr元素合金大大減少；5%Cr元素合金具有相當(dāng)均勻的微觀結(jié)構(gòu)，其含納米級(jí)κ碳化物的γ基質(zhì)為主要相，粗κ碳化物幾乎消失且具有明顯的晶粒增長；當(dāng)Cr元素的加入量超過5%時(shí)，碳化物Cr7C3（紅色箭頭表示）開始形成，有序相DO3（黃色箭頭表示）相分?jǐn)?shù)增加，其材料的相關(guān)性能也明顯降低.在以后的研究中，應(yīng)重點(diǎn)放在Cr元素微量含量至過量這個(gè)階段，細(xì)分為多個(gè)數(shù)值對(duì)κ碳化物的形成及生長做系統(tǒng)性的研究.

1.2對(duì)B2和DO3等相析出的影響

不同含量的Cr元素對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼微觀組織內(nèi)部不同相的析出有顯著影響.這些相的形成需要在一定條件下進(jìn)行，如βMn、DO3 及B2有序相等，在不同Cr元素含量情況下出現(xiàn)明顯的析出區(qū)別.研究表明［19］，增加Cr元素的添加量會(huì)擴(kuò)大FeCMnAl合金中的DO3相區(qū)及其他相區(qū)，以及在此基礎(chǔ)上經(jīng)過長時(shí)間的等溫?zé)崽幚砗髸?huì)產(chǎn)生βMn等析出相；添加Cr元素在合適溫度范圍處理中可促進(jìn)B2有序相的形成，且在FeCMnAl合金中Cr元素含量的增加會(huì)促進(jìn)基相和沉淀區(qū)的形成［20］.Chen等［21］研究表明，當(dāng)Cr元素含量從3.0%增加到70%時(shí)，F(xiàn)e9Al30Mn0.6CxCr系輕質(zhì)鋼微觀組織會(huì)發(fā)生B2→B2＋DO3→DO3相的一個(gè)轉(zhuǎn)變過程.如圖2所示，Kim等［22］研究Cr元素在0%～5.5%范圍內(nèi)對(duì)Fe20Mn12Al1.5CxCr系輕質(zhì)鋼微觀組織的改變，其中不含Cr元素的微觀組織中增加了κ碳化物的存在或析出部分DO3相，隨著Cr元素含量增加到5%時(shí)，粗大的κ碳化物逐漸消失并形成細(xì)小的κ碳化物，DO3相也隨之形成并增加；Cr元素含量超過5%時(shí)，整個(gè)奧氏體基體中粗顆粒比例增加的同時(shí)，DO3和碳化物Cr7C3等不同相相繼析出.由此可見，在添加少量含量的范圍中，5%Cr元素含量是作為相組成突變的一個(gè)轉(zhuǎn)變臨界值.對(duì)于二次相的生成可在這個(gè)范圍附近進(jìn)行反復(fù)探究，以此研究相的變化對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼性能的影響.

2對(duì)力學(xué)性能的影響

對(duì)于FeCMnAl系輕質(zhì)鋼來說，在降低密度與減輕質(zhì)量的同時(shí)，也要保證材料的強(qiáng)度與塑性處于一個(gè)相對(duì)優(yōu)異且穩(wěn)定的狀態(tài).以確保在室溫下，F(xiàn)eCMnAl系輕質(zhì)鋼有較良好的機(jī)械性能.FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的力學(xué)性能隨晶粒尺寸的變化而變化.眾所周知，多晶材料的強(qiáng)度可通過晶粒細(xì)化而增加.Cr元素含量對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的晶粒尺寸和機(jī)械性能有明顯影響.FeCMnAl系輕質(zhì)鋼機(jī)械性能會(huì)隨著基體中Cr元素含量的增加，平均晶粒尺寸發(fā)生變化，晶粒內(nèi)析出物的數(shù)量及析出沉淀相會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)的變化，從而屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度及延伸率等通過減小晶粒尺寸和增加不同相析出量而得到相應(yīng)的優(yōu)化和改善.并且Cr元素增加了FeCMnAl鋼的楊氏模量，這可能彌補(bǔ)了Al元素對(duì)材料剛度的有害影響.

在一定含量范圍內(nèi)，Cr元素對(duì)材料的抗拉伸性能有正向作用，目前重點(diǎn)研究范圍大多集中在0%～5%以內(nèi).研究表明［23］，隨著Cr元素的增加，拉伸強(qiáng)度下降，伸長率提高，在其他元素含量變化不大的前提下，5%Cr元素含量性能較好；當(dāng)Cr元素含量超過5%時(shí)，雖拉伸強(qiáng)度增加，但伸長率會(huì)發(fā)生顯著下降，并且同時(shí)會(huì)出現(xiàn)碳化物M7C3沉淀導(dǎo)致開裂.目前大多數(shù)研究表明，在Cr元素含量為5%時(shí)，鋼顯微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的組成是最佳狀態(tài)，即奧氏體內(nèi)部含有細(xì)小的κ碳化物和低比例的有序相DO3，均勻的微觀組織顯示出最佳的拉伸性能.由于κ碳化物與奧氏體具有高度的一致性和可剪切的特性，因此伸長率才不會(huì)嚴(yán)重惡化，出現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì).Cr元素含量超過5%后，鋼的性能存在大幅度變化（大多數(shù)情況是各方面性能減弱）的情況.在這個(gè)含量數(shù)值范圍左右也有可能出現(xiàn)優(yōu)異的性能，如Tsay等［24］ 發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e28Mn9Al1.8C6Cr鋼在6%Cr元素含量時(shí)，具有優(yōu)異的抗拉性能，屈服強(qiáng)度為902 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 122 MPa，伸長率相對(duì)下降.Sutou等［25］對(duì)Fe20Mn（10～14）Al（0～1.8）C和Fe20Mn（10～14）Al（0～1.8）C5Cr鋼拉伸性能的研究發(fā)現(xiàn)，5%Cr元素含量的鋼拉伸性能遠(yuǎn)超過無Cr元素的鋼性能，屈服強(qiáng)度為1 040 MPa，拉伸強(qiáng)度為1 223 MPa，伸長率為41%.同時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加5%含量的Cr元素抑制了Fe20MnxAlyC系輕質(zhì)鋼中粗κ碳化物的形成，從而提高了塑性.Liu等［26］發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定硬化階段，應(yīng)變硬化速率顯著提高，隨著Cr元素含量的增加逐漸增大，在接近10%Cr元素時(shí)增加了極限抗拉強(qiáng)度，且導(dǎo)致相界面面積的增加及碳化物Cr23C6等的生成，阻礙位錯(cuò)的傳播，從而降低其塑性.Cr元素對(duì)塑性變形的影響大于Al和Mn元素，相對(duì)而言，Cr元素的過量將直接影響FeCMnAl系輕質(zhì)鋼強(qiáng)度與延展性的損耗與優(yōu)化.

Cr元素的加入在形成碳化物的同時(shí)改變奧氏體的穩(wěn)定性.在變形過程中發(fā)生相變，使其加工硬化速度加快，可迅速形成高硬度與穩(wěn)定的硬化層［27-28］.不同含量的Cr元素?fù)诫s會(huì)對(duì)滑動(dòng)帶的形成和演變產(chǎn)生作用，進(jìn)一步影響FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的應(yīng)變硬化率.Welsch等［29］發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e30.4Mn8Al1.2C鋼的恒定高應(yīng)變硬化率歸因于動(dòng)態(tài)滑移帶的細(xì)化，而納米級(jí)κ碳化物與位錯(cuò)之間有著密不可分的關(guān)系［7］.納米級(jí)κ碳化物充當(dāng)一個(gè)增強(qiáng)相，通過提供能壘來阻礙位錯(cuò)的滑動(dòng).而添加不同含量的Cr元素可調(diào)控κ碳化物的形成、增長趨勢(shì)和尺寸粗細(xì)程度，有助于形成位錯(cuò)并增加滑移帶的密度，從而提高FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的穩(wěn)定性和塑性等.Wu等［30］發(fā)現(xiàn)，含6%的Cr元素與含0%的Cr元素相比，在FeCMnAl系輕質(zhì)鋼應(yīng)變階段滑移帶的平均間距小于0%Cr元素鋼帶的間距，說明6%Cr元素鋼在相同應(yīng)變下引起的滑移帶密度更高，使位錯(cuò)滑移相對(duì)困難，從而提高含Cr元素鋼帶的應(yīng)變硬化率.Liu等［31］研究得到，在含有不同含量Cr元素（0%、3%、6%和9%）時(shí)，相對(duì)于不含Cr元素而言，含有Cr元素時(shí)奧氏體中將出現(xiàn)較多的位錯(cuò)，在9%Cr元素鋼帶中的位錯(cuò)密度雖然較高，但略低于6%Cr元素鋼帶中的位錯(cuò)密度.因此，要考慮在合適范圍內(nèi)，Cr元素的加入可調(diào)控多種碳化物阻礙位錯(cuò)滑移和滑移帶的產(chǎn)生，且可減少κ碳化物在FeCMnAl系輕質(zhì)鋼帶中的沉淀，促進(jìn)高應(yīng)變硬化率的產(chǎn)生.

斷口形貌對(duì)于力學(xué)性能的深入研究也有著重要意義.對(duì)于FeCMnAl系輕質(zhì)鋼而言，Cr元素的添加對(duì)其在不斷循環(huán)的應(yīng)力下產(chǎn)生的疲勞及斷裂有著相對(duì)作用，且Cr元素含量的少量變化對(duì)斷裂行為都有顯著影響.Yuan等［32］通過對(duì)3種Cr元素含量（1.13%、2.35%和3.95%）的FeCMnAl系輕質(zhì)鋼斷裂表面的研究表明，當(dāng)Cr元素含量較低時(shí)，斷面大多數(shù)為較大的延展性韌窩，隨著含量的增多，出現(xiàn)從延展性韌窩逐漸消失，且數(shù)量相對(duì)減少，逐漸變?yōu)榫чg斷裂的現(xiàn)象，韌窩的大小逐步變小，且深度變淺.因此，Cr元素的存在及不同含量對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的斷裂行為存在塑性斷裂與脆性斷裂的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象.Feng等［33］也證實(shí)了晶間κ碳化物的形成過程及其在Fe24.8Mn7.3Al1.2C系輕質(zhì)鋼中傳播裂紋的作用.Cr元素的加入對(duì)κ碳化物的形成及尺寸大小的影響，直接對(duì)鋼材的斷裂行為及抵抗外力的能力產(chǎn)生嚴(yán)重的影響.以上的研究是在小范圍內(nèi)添加Cr元素得到優(yōu)異的力學(xué)性能，但Cr元素的添加也是有限制的，在一定范圍內(nèi)是呈現(xiàn)直線上升的提升效果，超出某一范圍后，性能會(huì)出現(xiàn)大幅度地改變，目前這一范圍在0%～5%及5%附近.

3對(duì)化學(xué)性能的影響

目前，F(xiàn)eCMnAl系輕質(zhì)鋼抗氧化、耐腐蝕與耐磨損等一系列相關(guān)的問題受到了科研人員的廣泛關(guān)注.研究表明，晶界工程可提高低層錯(cuò)能面心立方金屬性能，并已成功應(yīng)用于提高奧氏體不銹鋼的晶間耐腐蝕性能和高強(qiáng)度金屬的耐氫脆性能.對(duì)于FeCMnAl系輕質(zhì)鋼而言，其抗腐蝕能力遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)的不銹鋼，為了提高耐腐蝕性和抗氧化性，以及在高溫下的強(qiáng)度，一些合金元素，如Cr元素被添加到其中，Cr元素對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼高溫抗氧化性與耐腐蝕性都有正向作用.

3.1耐腐蝕性

大多數(shù)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的抗點(diǎn)蝕性能較低［34］，其原因是所形成的Al2O3膜具有不完全保護(hù)能力或基體中存在二次相，且奧氏體和納米級(jí)的κ碳化物耐腐蝕性很強(qiáng).因此鐵素體穩(wěn)定劑Cr元素的添加將增強(qiáng)奧氏體耐硬化性，增加耐腐蝕性，可以實(shí)現(xiàn)更硬、更強(qiáng)和耐腐蝕合金.在FeCMnAl系輕質(zhì)鋼中，Cr元素會(huì)優(yōu)先與C元素發(fā)生反應(yīng)結(jié)合，促使Al2O3腐蝕過程中增長比提高，進(jìn)而達(dá)到提高耐蝕性的效果.Zhang等［35］認(rèn)為，腐蝕性能隨著Cr元素含量的增加而增加.在低堆疊斷層能量的基質(zhì)中，部分容易產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這一觀點(diǎn)也得到了其他學(xué)者的證實(shí).添加Cr元素的其他優(yōu)點(diǎn)是可以通過形成保護(hù)性的鈍化膜來提高耐腐蝕性，從而解決FeCMnAl系輕質(zhì)鋼在水環(huán)境中耐腐蝕性不足的問題.因此，想要加強(qiáng)鈍化膜則可通過增加Cr元素的含量來實(shí)現(xiàn)，充分的合金化將獲得FeCMnAl系輕質(zhì)鋼穩(wěn)定的保護(hù)性能.Tsay等［24］研究表明，F(xiàn)e28Mn9Al1.8C中Cr元素含量為6%時(shí)，因具有奧氏體和細(xì)小的κ碳化物而具有良好的抗腐蝕性能.Jun等［36］得出結(jié)論，F(xiàn)eMn系高錳合金中當(dāng)Cr元素含量為6%時(shí)，可以顯著提高耐腐蝕性，但是同時(shí)相關(guān)機(jī)械性能會(huì)相對(duì)降低.在少量添加的基礎(chǔ)上，可擴(kuò)大適值范圍（大約為0%～8%）研究Cr元素對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的顯微組織和鈍化膜性能的影響.Ha等［18］對(duì)奧氏體Fe19Mn12Al（0～7.5）Cr系輕質(zhì)鋼的微觀結(jié)構(gòu)分析表明，在0%～7.5%范圍內(nèi)Cr元素含量為5%時(shí)，出現(xiàn)最佳的均勻微觀結(jié)構(gòu).同時(shí)對(duì)富含Cr和Al元素的鈍化膜分析表明，基體中合金化增加了鈍化膜中的Al元素含量，并增加了膜中氧化物與氫氧化物的比例，在所研究的合金中表現(xiàn)出最高的抗點(diǎn)蝕性能.

FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的腐蝕性能也與晶界角度的高低有關(guān)，根據(jù)相關(guān)研究得知，鋼中低角度邊界（2°～10°）的百分比隨著基體中Cr元素含量的增加而增加［32］，從而提高耐腐蝕性.主要原因在于高角度的晶界具有更高的錯(cuò)位能量，較高的高角度晶界會(huì)優(yōu)先被腐蝕，邊界角度的改善會(huì)促使耐腐蝕性能的提高，并且較大的晶粒簇可以提高耐腐蝕性.因此，F(xiàn)eCMnAl系輕質(zhì)鋼可以通過增加Cr元素含量提高低角度邊界的總體占比，從而對(duì)耐腐蝕性做進(jìn)一步改善.綜上所述，從Cr元素含量出發(fā)，對(duì)于FeCMnAl系輕質(zhì)鋼而言，由于Cr元素含量為5%的合金具有最簡(jiǎn)單的微觀結(jié)構(gòu)，且二次相的析出量最少，同時(shí)在此含量下對(duì)合金間的耐點(diǎn)蝕性能最高，因此，被認(rèn)為具有最佳的耐腐蝕性.但添加5%以上的Cr元素會(huì)降低耐點(diǎn)蝕性.所有的二次相（粗κ碳化物、Cr7C3和DO3等）都是點(diǎn)蝕的起始點(diǎn)，由此可見，在Cr元素含量超過5%時(shí)析出較多的二次相量，直接降低了點(diǎn)蝕抗性.

3.2抗氧化性

不同Cr元素含量對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的抗氧化性能有著不同程度的影響，尋找到最佳的Cr元素含量是目前研究的重點(diǎn).Cr和Al元素都有利于抗氧化性，Cr元素可減少形成保護(hù)Al2O3層所需的臨界Al量，減少Al元素過多造成的有害影響，且Cr元素對(duì)氧的親和力比Mn、Si和Al元素小，從形成物角度出發(fā)，一般主要形成Cr2O3等氧化物，并且在以往研究中表明，Cr更易在1 000 ℃以下有很好的抗氧化性，但只在高氧分壓下形成Cr2O3.也有研究表明，Cr元素含量超過13%時(shí)，會(huì)形成黏附和保護(hù)性氧化層［37］，但綜合性能就遠(yuǎn)不如低濃度好.在以往的研究中，在Fe、Mn和Al元素含量相同的情況下，普遍檢測(cè)到不同Cr元素含量鋼中氧化膜成分中均含有Cr元素.同時(shí)，膜中氧化物比例提高，其5%Cr元素合金的氧化膜的氧化比較高，表明5%Cr元素合金的氧化膜比0%Cr和2%Cr元素合金更薄，生成物相對(duì)更緊密，對(duì)外界環(huán)境的抗氧化性相對(duì)得到提高.另外，Cr元素添加后，在退火過程中會(huì)形成Cr2O3和MnCr2O4.Liu 等［38］也觀察到在800 ℃退火過程中含0.21%～0.39%Cr元素的雙相鋼中觀察到Cr氧化物的形成.在加入了0046%Cr元素的鋼中，也發(fā)現(xiàn)在退火過程中形成Cr2O3.上述研究主要是對(duì)比不添加Cr元素與添加微量Cr元素2種情況下FeCMnAl系輕質(zhì)鋼氧化物的生成情況.故對(duì)于FeCMnAl系輕質(zhì)鋼在退火過程中即使加入微量的Cr元素也會(huì)對(duì)鋼材形成的氧化物造成較大的影響，進(jìn)一步影響抗氧化性，對(duì)于過量的情況在以后的研究中還需要進(jìn)行更深入的研究.

4結(jié)語

本文總結(jié)了近年來Cr元素對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的影響研究現(xiàn)狀，主要從Cr元素對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的微觀組織、力學(xué)性能、耐腐蝕性和抗氧化性能的影響進(jìn)行分析，進(jìn)一步研究不同Cr元素含量對(duì)其性能的影響，以及在特定范圍內(nèi)尋找到最佳的Cr元素含量值.研究過程的意義就在于不斷地探索一種元素加入后微觀組織的變化及性能的改變，通過另一種元素的加入進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，通過這種方式找到最合適的含量值，獲得帶有目的性能的材料.在未來探索過程中可能會(huì)出現(xiàn)更多合金種類的合金化和加工策略：

1）加入不同含量的Cr元素，通過含量變化控制FeCMnAl系輕質(zhì)鋼微觀組織的改變、κ碳化物的細(xì)化及不同析出相（Cr7C3和DO3等相）的生成及形態(tài)尺寸的變化，影響斷裂行為進(jìn)一步提升強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能.得出5%Cr元素含量時(shí)，F(xiàn)eCMnAl系輕質(zhì)鋼微觀組織最均勻且簡(jiǎn)單，晶粒尺寸最為細(xì)化，并且出現(xiàn)最佳屈服強(qiáng)度、極限抗拉伸強(qiáng)度及較好的延伸率.在未來的研究中應(yīng)重點(diǎn)研究Cr元素含量在5%前后時(shí)，對(duì)FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的影響，進(jìn)而達(dá)到改善目標(biāo)性能的目的.

2）Cr元素的加入通過打破與其他元素的先后反應(yīng)促進(jìn)氧化物Al2O3的生成，以及改變晶界角度的高低，進(jìn)一步提高FeCMnAl系輕質(zhì)鋼的耐腐蝕性，并在高氧或退火過程中形成Cr2O3等氧化物，對(duì)其抗氧化性能進(jìn)行改善.在Cr元素含量為5%臨界值時(shí)，出現(xiàn)最佳的耐腐蝕性與抗氧化性.目前的研究是在保證強(qiáng)度和使用性能的前提下進(jìn)行改善，由于Cr元素的加入含量是有限的，因此，F(xiàn)eCMnAl系輕質(zhì)鋼在耐蝕性、抗氧化性及其他應(yīng)用方面，如焊接性與涂覆性等方面在今后需要進(jìn)一步深入研究.

3）目前，大數(shù)據(jù)分析在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用和推行，在研究輕質(zhì)高強(qiáng)鋼時(shí)，可以通過對(duì)加入不同含量Cr元素的反應(yīng)過程進(jìn)行建模，通過模擬來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)鋼內(nèi)部微觀組織的演變和預(yù)測(cè).通過理論模型和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的多方面比較，提高和完善在實(shí)驗(yàn)過程中的效率和準(zhǔn)確性，未來可加強(qiáng)與模擬設(shè)計(jì)的結(jié)合.

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（責(zé)任編輯：伍利華）